一種姿態自校正無線網絡地震傳感器的設計

張家田+趙紅偉+嚴正國

摘 要： 針對復雜的地理環境中地震數據采集多采用分布式無線采集系統，但是地震傳感器布排的隨機性和不確定性對地震波數據的采集有很大影響的問題。提出一種對加速度傳感器姿態自校正的方法，其能夠消除傳感器安裝位置的影響，提高地震數據質量。以C8051F020主控制器為核心，利用MEMS傳感器模塊采集地震波數據，通過Xbee? Pro無線射頻模塊實現無線數據傳播，設計一種無線網絡地震傳感器系統。結果表明，該系統能夠實現無線數據采集并對采集到的數據進行姿態校正，對復雜環境下地震波數據采集領域具有廣泛的應用價值。

關鍵詞： 姿態校正； MEMS傳感器； 無線網絡； 數據采集； 地震傳感器

中圖分類號： TN915?34； TP212.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0137?04

Design of a wireless network seismic sensor with posture self?correction

ZHANG Jiatian， ZHAO Hongwei， YAN Zhengguo

（MOE Key Laboratory of Photo Electricity Gas & Oil Logging and Detecting， Xian Shiyou University， Xian 710065， China）

Abstract： Since the distributed wireless acquisition system is mostly adopted for seismic data acquisition in the complex geographical environment， and the layout randomness and uncertainty of the seismic sensor has great influence on the acquisition of the seismic wave data， a posture self?correction method for the acceleration sensor is proposed to eliminate the influence on the installation position of the sensor， and improve the quality of the seismic data. A wireless network seismic sensor system was designed， which takes C8051F020 master controller as the core， uses the MEMS sensor module to acquire the seismic wave data， and adopts the Xbee?Pro wireless RF module to transmit the wireless data. The result indicates that the system can acquire the wireless data and perform the posture correction for the collected data， and has a wide application value in the seismic wave data collection field in the complex environment.

Keywords： posture correction； MEMS sensor； wireless network； data acquisition； seismic sensor

0 引 言

針對復雜環境，由于其地表地形條件和地下構造的復雜性，以及地理環境的特殊性，使得地震資料的采集非常困難。隨著地震勘探的對象越來越復雜，傳統的地震勘探設備已經不能滿足地震勘探要求，由此也對地震勘探技術和設備的進步與發展提出嚴峻的挑戰[1?2]。近年來，隨著MEMS （Micro?Electro?Mechanical System）傳感技術、無線通信、片上集成系統（SoC）和低功耗嵌入式技術的飛速發展推動著地震勘探技術向著低功耗、低成本、布排量小、擴容性好等方向發展[3]。MEMS加速度傳感器在低頻響應和低噪聲方面等要好于傳統的地震檢波器，但是地震傳感器布排的隨機性和不確定性對地震波數據的采集有很大的影響，如傳感器埋置位置要求較高、振動干擾小等[4]。目前國內外對地震傳感器的校正大多需要外部儀器輔助，在實際應用中給傳感器的布設帶來很多不便。例如國內學者將加速度傳感器安裝在精密光學分度頭設備上，通過對比傳感器參數進行標定，保持加速度計的敏感軸與分度頭平行來降低安裝誤差[5]。還有學者利用精密直角標定架的方法對加速度傳感器進行標定[6]。針對這個問題提出一種加速度傳感器姿態自校正的方法，基于加速度傳感器自校正方法設計的無線網絡地震傳感器最終能夠消除加速度傳感器安裝位置的影響。

1 加速度傳感器姿態校正方法

目前采用的地震勘探主要手段仍然是基于縱波的傳統地震方法，但是無線網絡地震傳感器在實際布設過程中的隨機性和不確定性，使得地震波采集到的縱波分量出現偏差。本文提出一種基于測量縱波的加速度計姿態自校正的方法，可以自動識別安裝方向和坐標旋轉校正，校正后的加速度傳感器能夠消除傳感器安裝位置的影響。

加速度傳感器姿態校正具體步驟如下：

（1） 識別安裝方向，選取豎直坐標軸

傳感器坐標系模擬圖如圖1所示，當地震傳感器安裝位置與重力加速的方向夾角為α時，重力加速度在x，y，z坐標軸產生投影分量，存在關系如下：

選取夾角最小的坐標軸為參考方向，即重力加速度投影最大的軸為參考方向。其中Gx，Gy，Gz分別為靜止時重力加速度在x，y，z軸上分量的模，G為靜止時重力加速度值；A為Gx，Gy，Gz最大值所對應的軸向，即選取的參考方向；GA為重力加速度在參考坐標軸上分量的模。

（2） 坐標旋轉校正

由于靜止和運動時參考軸向與重力加速度夾角不變，可以推導出靜止時和運動時加速度數值存在相似比例的關系。

坐標旋轉模型如圖2所示，G為靜止時重力加速度值，GA為重力加速度在參考坐標軸上分量的模，g為校正后加速度傳感器運動時加速度值，gA為選取參考坐標軸處于運動狀態時的加速度值。其中。

分別測得加速度計在參考軸靜止和運動時兩種狀態的值GA和gA。由于不變，可以得出：

由式（2）關系可以得出校正后加速度傳感器在運動狀態下的數值g：

式中，為校正系數，通過校正系數對采集到的數據進行校正，校正后的數值減去重力加速度值就能得到的實際加速度值如下：

由式（4）就可以實現加速度傳感器姿態自校正，進而將采集的數據轉換為更為準確的數據。

2 系統方案設計

基于加速度傳感器姿態自校正方法設計了具有姿態校正功能的無線網絡傳感器系統，該系統由無線地震采集單元和上位機控制單元組成，上位機控制單元通過無線模塊下發控制命令和接收無線地震采集單元上傳的采集數據，無線網地震采集單元主要由電源模塊、MCU主控制器模塊、MEMS傳感器模塊和無線模塊組成。電源模塊為主控制器和各模塊提供3.3 V直流電壓，無線模塊負責采集單元與上位機的無線通信，主控制器模塊負責整個系統的控制與數據處理任務，MEMS傳感器模塊負責采集地震波數據。無線網絡地震傳感器系統框圖如圖3所示。

2.1 MEMS傳感器模塊

系統采用的MEMS傳感器模塊為ADXL343，ADXL343是一款3軸、數字輸出、低g加速度計，具有10～13位高分辨率，測量范圍有±2g，±4g，±8g或±16g可選擇，具有寬電源電壓特性：2.0～3.6 V，具有高度10 000g的抗沖擊能力，工作溫度范圍為-40～85 ℃。它具有體積小，功耗低等特點，芯片內部包含一個嵌入式存儲器管理系統，采用32位先進先出（FIFO）存儲器緩沖器，從而將主控制器功耗降至最低。系統通過SPI接口方式訪問加速度傳感器，數字輸出的數據為16位二進制補碼形式。

2.2 主控制器接口電路設計

選擇C8051F020單片機作為系統的主控制芯片。該芯片使用Cygnal的專利CIP?51微控制器內核，完全兼容標準8051單片機指令集，工作溫度范圍大，功耗低，具有多種節能和停機方式，并且具有豐富的中斷源，可以外接大量的數字或模擬外設，能夠滿足系統設計需求。C8051F020主控制器與外圍接口電路設計如圖4所示。主控制器與MEMS傳感器模塊通過SPI接口方式連接，主控制器與無線模塊通過串口方式通信。無線模塊還支持睡眠工作模式，工作模式的選擇通過主控制器對模塊的SLEEP_RQ引腳進行控制。

2.3 無線模塊

系統采用的無線傳輸方案采用ZigBee技術，ZigBee技術是一種近距離、低成本、低功耗、數據傳輸安全性高、能自組網的無線通信技術[7]。無線模塊實現整個無線地震傳感器數據傳輸的關鍵組成部分，無線模塊選用美國DIGI公司研發制造的Xbee?Pro無線射頻傳輸模塊，該模塊具有低功耗、成本低、操作簡單傳輸可靠、數據率低等特點。該芯片的接收靈敏度為-100 dB，供電電壓為2.8～3.4 V，電路設計中選用3.3 V供電。

2.4 串口轉USB模塊

為了實現無線模塊接收端和上位機能夠通信功能，選擇接口方便且集成度高的串口轉USB接口電路。CP2102芯片能夠實現USB端口傳輸端（D-和D+）與無線模塊串口通信端口（TXD和RXD）之間的數據通信。CP2102串口轉USB接口電路原理圖如圖5所示。

3 軟件設計

系統主程序流程圖如圖6所示，待無線網絡地震傳感器野外布排好，系統默認為待機狀態，上位機通過無線模塊采用廣播方式發送命令，只有ID號匹配的傳感器進行采集和校正處理命令，地震傳感器等待上傳指令，上傳有效數據。

MEMS傳感器采集和自校正程序框圖如圖7所示，首先等待傳感器初始化，讀取傳感器靜止時3個軸向的加速度值gx，gy，gz；取gx，gy和gz的絕對值比較大小，選擇其中最大值的軸向作為參考軸向，然后將最大值作為采集到地震縱波數據存儲；傳感器坐標軸還具有方向，根據數據的正負關系，進行方向校正；由傳感器校正方法計算出校正系數并保存；讀取傳感器運動時的參考軸向數據，通過校正系數進行數據校正換算。

4 實驗分析

系統經過調試后進行校正實驗，實驗中采集靜止時重力加速度的數值來分析校正處理后的結果，每組數據采用取平均值的算法作為本次實驗的采集數據。MEMS傳感器數據格式為左對齊，選用±4g測量范圍，輸出為十六進制補碼形式，傳感器分辨率為7.8 mg/LSB。

實驗中將加速度傳感器任意位置擺放，隨機抽取采集的8組傳感器靜止時加速度值。傳感器校正后的實驗數據如表1所示。

表1 采集數據處理

實驗數據表明，實驗樣本數據的平均值為1.051 76 g，接近重力加速度；總體標準偏差的方差為0.000 32，表明數據離散度小。所以，地震傳感器自校正算法可以消除加速度傳感器安裝位置的影響。

5 結 語

為進一步提高MEMS加速度傳感器采集的數據質量，必須盡量減小加速度傳感器的測量誤差，而加速度傳感器安裝誤差對采集到的數據具有很大影響。本文設計了具有姿態自校正功能的無線網絡地震傳感器系統，能夠自動識別安裝方向和對采集到的數據進行校正處理，測量縱波時能夠消除加速度傳感器安裝位置的影響。系統具有功耗低、成本低、布排方便、擴容性好、采集精度高的特點，對地震勘探領域具有一定的參考價值。

參考文獻

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